CN103135057B - 一种电池自放电性能的快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为社会提供一种电池自放电性能的快速测量方法，采用系统辨识方法实现电池的自放电快速测量，将被测量电池B作为系统辨识的对象，被测量电池充放电电流Iw作为输入信号，被测量电池的电压U₁作为输出信号，对电池等效电路D进行仿真计算，得到仿真输出信号U₂，将仿真输出信号U₂与将被测量电池的电压U₁进行比较，得出误差E，根据误差E调整等效电路元件的参数值，当误差E趋于零时，U₁等于U₂，此时，仿真系统中的参数R0即为被测量电池B的自放电电阻。本发明彻底改变了传统电池的自放电性能测量需要搁置很长时间、占用大面积生产场地的缺陷，提高了电池自放电性能测量的速度和准确性。

Description

一种电池自放电性能的快速测量方法

技术领域：

本发明涉及一种电池自放电性能的快速测量方法，适用于多种二次电池和一次电池的单体及电池组的自放电性能测量。

背景技术：

我们常用的二次电池和一次电池都不同程度地存在自放电的现象，电池及电池组的自放电的差异性是直接影响到电池使用寿命的重要技术指标。测试电池的自放电，对于电池的研究、电池性能改进都起到重要的作用。目前国际通用的测量方法是：将电池充满电后，在高温状态下搁置7天或在常温状态下搁置28天，然后通过测量电池的剩余电量来评估电池自放电的大小。这种传统自放电的测量方法受环境干扰影响较大，准确性十分有限，并且需要很长的测试时间、占用大量的流动资金和大面积生产场地，造成很大的浪费。

发明内容：

本发明的目的是：提供一种新的电池的自放电性能快速测量的方法，它可以在数小时内完成电池的自放电性能测试，并且可以定量计算电池自放电电阻的大小。

本发明的技术方案是：采用系统辨识方法实现电池的自放电性能快速测量，测量方法如下；

对被测量电池B可以用一个等效电路表示，图1就是被测量电池的一种等效电路，图中，Rs.电池欧姆内阻，Rr.电池法拉第阻抗，Cd.电池极板表面双电层电容，R₀.电池自放电电阻，I₁为被测量电池B的自放电电流。当充放电电流Iw流过时，被测量电池的电压U₁发生变化。因此，对于被测量电池的等效电路而言，Iw是输入信号，U₁是输出信号。

本发明的工作原理框图如图2所示，对于一个存在自放电电流的被测量电池B，采用充放电电流Iw进行充放电，被测量电池的电压U1将发生变化。将被测量电池作为系统辨识的对象，Iw是输入信号，U1是输出信号，C是比较器，D是被测量电池的等效电路。

根据自动控制理论，被测量电池的等效电路D可以用一个一阶微分方程表示，其中的Rs、Rr、Cd、R₀都可表示为微分方程的系数，这些系数会随充放电过程发生变化。该微分方程称为被测量电池的数学模型，其表达式如下：

$C_d\·(1+\frac{R_s}{R_0})\·\frac{\mathrm{du}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+(\frac{1}{R_0}+\frac{1}{R_r}+\frac{R_s}{R_0\·R_r})\·u\left(t\right)=C_d\·R_s\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+(1+\frac{R_s}{R_r})\·i\left(t\right)$

采用系统仿真技术，被测量电池数学模型的一阶微分方程可以采用计算机或单片机进行数字仿真，根据经验选择Rs、Rr、Cd、R₀的初值后，若同样以Iw为输入信号作为微分方程中的i(t)，经过求解微分方程进行仿真计算，方程的解u(t)作为仿真输出信号U₂。由于所选择的Rs、Rr、Cd、R₀的初值与被测量电池的真实参数不会正好相等，一般情况下U₂与U₁存在一定误差。

将被测量电池的输出信号U₁和输入信号Iw经过A/D模数转换器输入计算机后，将仿真信号输出U₂与将被测量电池输出信号U₁进行比较，得出误差E，再根据误差E调整数学模型Rs、Rr、Cd、R₀的参数值，使误差E减小。误差E减小的具体方法可采用自动控制理论中的常用的一些方法，例如以误差E为目标函数、以Rs、Rr、Cd、R₀为自变量的寻优算法，如下降迭代法、抛物线逼近法、变量轮换法、牛顿法等。反复进行比较和调整，误差E逐渐减小，当误差E趋于零时，U₁等于U₂。此时，等效电路的参数与被测量电池B的参数也达到一致，等效电路的自放电电阻R₀即为被测量电池B的自放电电阻。测量过程结束。

本发明的优点是：发明彻底改变了传统电池的自放电测量需要搁置很长时间、占用大面积生产场地的缺陷，不仅提高了电池自放电测量的速度和准确性，并且大幅度压缩了电池的生产周期和流动资金的占用。

附图说明：

图1是被测量电池的等效电路；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明的具体实施方式电路原理图；

其中：A.运算放大器，A/D.模/数转换器，B.被测量电池，C.比较器，Cd.电池法拉第阻抗，CPU.单片机，D/A.数模转换器，I₁.被测量电池B的自放电电流，Iw.辅助补偿电流，P.供电电源，R₀.电池自放电电阻，Rr.电池法拉第阻抗，Rs.电池欧姆内阻，U₁.被测电池电压，U₂.仿真输出信号。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例是采用单片机实现电池的自放电快速测量，如图3所示；单片机CPU通过数模转换器D/A控制运算放大器A，运算放大器A输出充放电电流Iw给被测量电池B充放电，R4是Iw的电流采样电阻。Iw电流采样信号经模数转换器A/D输入单片机。被测量电池的电压U₁通过A/D模数转换器转换后也输入单片机CPU。

电流采样信号Iw输入单片机后，单片机求解由图2的被测量电池等效电路确定的一阶微分方程，方程的解就是等效电路的输出U₂。

由于U₁已经输入单片机，因此可与计算机求解的等效电路的输出U₂进行比较，得出误差E。根据误差E的大小调整数学模型Rs、Rr、Cd、R₀的参数值，使误差E逐渐减小。反复进行比较U₁、U₂和调整误差E，使误差E逐渐减小，当误差E趋于零时，U₁等于U₂。此时，仿真系统中的参数R₀即为被测量电池B的自放电电阻，测量过程结束。

图3中，R1；10K电阻，R2；10K电阻，D/A；数模转换器DAC0832，A/D；模数转换器AD574，CPU；单片机430F149，R3；100K电阻，R4；1K电阻，P为+15V。

Claims (2)

1.一种电池自放电性能的快速测量方法，其特征在于：采用系统辨识方法实现电池的自放电快速测量，分为7个步骤，①将被测量电池B作为系统辨识的对象，被测量电池B充放电电流Iw作为输入信号，被测量电池B的电压U₁作为输出信号；②将被测量电池B用一个等效电路表示，等效电路包括四个元件：Rs为电池欧姆内阻,Rr为电池法拉第阻抗，Cd为电池极板表面双层电容，R₀为电池自放电电阻；③将被测量电池B的等效电路用一个微分方程描述，Rs、Rr、Cd、R₀是微分方程的系数；④采用系统仿真技术，以充放电电流Iw为输入信号，求解微分方程进行仿真计算，得到仿真输出信号U₂；⑤将仿真输出信号U₂与将被测量电池B的电压U₁进行比较，得出误差E；⑥根据误差E调整等效电路中四个元件Rs、Rr、Cd、R₀的参数值，使误差E逐渐减小；⑦经过反复进行比较和调整，误差E逐渐减小，当误差E趋于零时，被测量电池B的电压U₁等于仿真输出信号U₂，此时，等效电路中的参数R₀即为被测量电池B的自放电电阻；

该微分方程称为被测量电池的数学模型，其表达式如下：

$C_d\·(1+\frac{R_s}{R_0})\·\frac{\mathrm{du}\left(t\right)}{d\left(t\right)}+(\frac{1}{R_0}+\frac{1}{R_r}+\frac{R_s}{R_0.R_r})\·u\left(t\right)=C_d\·R_s\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{d\left(t\right)}+(1+\frac{R_s}{R_r})\·i\left(t\right);$

其中，Rs为电池欧姆内阻，Rr为电池法拉第阻抗，Cd为电池极板表面双层电容；R₀为电池自放电电阻；u(t)为仿真输出信号U₂的微分表达式；i(t)为被测量电池B充放电电流Iw的微分表达式。

2.根据权利要求1所述的一种电池自放电性能的快速测量方法，其特征还在于：采用单片机CPU实现电池的自放电快速测量，单片机CPU通过数模转换器D/A控制运算放大器A，运算放大器A输出充放电电流Iw给被测量电池B充放电，充放电电流Iw经第一模数转换器A/D输入单片机CPU，被测量电池B的电压U₁通过第二模数转换器A/D转换后也输入单片机CPU，充放电电流Iw输入单片机CPU后，单片机CPU求解被测量电池B等效电路确定的微分方程，微分方程的解作为等效电路的仿真输出信号U₂，将仿真输出信号U₂与被测量电池B的电压U₁进行比较，得出误差E，根据误差E的大小调整等效电路Rs、Rr、Cd、R₀的参数值，使误差E减小，经过反复进行比较和调整，使误差E逐渐减小，当误差E趋于零时，被测量电池B的电压U₁等于仿真输出信号U₂，此时，等效电路中的参数R₀即为被测量电池B的自放电电阻。